книги / Современные проблемы науки и производства в области горного дела
..pdfЦелью физико-технической подземной геотехнологии как раздела гор-
ных наук является установление объективных закономерностей и взаимосвязей между параметрами подземных выработок, последовательностью их формирования, технологическими процессами горных работ, экологической безопасностью и экономической эффективностью извлечения георесурсов из недр.
Главная задача ее состоит в выработке научно обоснованных рекомендаций, обеспечивающих надежность, безопасность и эффективность извлечения георесурсов из недр.
Основные разделы подземной физико-технической геотехнологии:
–теория вскрытия и подготовки месторождений полезных ископаемых;
–принципы обоснования порядка развития горных работ в шахтном поле;
–системы подземной разработки месторождений полезных ископаемых;
–научные основы формирования технологических схем рудников и шахт;
–теория процессов подземной добычи полезных ископаемых (отбойки, выпуска и доставки полезного ископаемого, управления состоянием массива горных пород, вентиляции, рудничного транспорта, подъема и др.);
–теория и методы организации управления производственными процессами добычи твердых полезных ископаемых при подземной добыче;
– физическое и экономико-математическое моделирование технологий и процессов подземных горных работ; квалиметрия и теория формирования качеств полезных ископаемых при подземной добыче.
Различия в горно-геологических условиях залегания рудных месторождений и пластовых месторождений угля, горючих сланцев и солей определили особенности развития направлений физико-технической подземной геотехнологии применительно к этим видам полезных ископаемых.
В области исследований технологий подземной добычи руд развитие физи- ко-технической подземной геотехнологии связано с крупными достижениями в прогнозировании процессов сдвижения и обрушения руд и вмещающих пород, а также процессов истечения руды из обрушенных блоков. В сочетании с широкомасштабными исследованиями технологии взрывного разрушения эти работы послужили теоретической базой для создания систем разработки с массовым обрушением руды и вмещающих пород, что обеспечило радикальные преобразования в области разработки руд черных и цветных металлов, а также горнохимического сырья. Кроме того, на базе многочисленных экспериментов была разработана теория последовательного извлечения полезного ископаемого из очистного пространства под действием силы тяжести, а также изучены его разновидности: торцовый и вибрационный выпуски руды. Необходимость отбойки больших массивов горных пород в подземных условиях дала толчок к созданию научных основ и технологий, обеспечивающих достаточно равномерное и мелкое дробление массива пород при взрывных работах.
Существенным достижением явилось создание слоевых одностадийных систем разработки мощных рудных залежей с закладкой выработанного про-
191
ELIB.PSTU.RU
странства, особенно для условий повышенного напряженного состояния горного массива. Большое значение имеет также разработка технологических схем выемки пологих и наклонных залежей с применением самоходного оборудования, а также коренное совершенствование технологии эксплуатации маломощных и жильных рудных месторождений на базе механизированных комплексов.
Вскрытие рудных месторождений является первым и весьма важным этапом их промышленного освоения. Для обеспечения растущих объемов добычи используются новые высокопроизводительные технические средства и высокоэффективные технологии подземной разработки руд. Все это требует обоснования новых решений для вскрытия месторождении, в частности, создания эффективных схем вскрытия, технологических схем и средств транспортирования руды из подземных выработок на обогатительную фабрику. Таким образом, разработка научных основ и методов определения эффективных, экономически оптимальных и технологически обоснованных величин шага вскрытия при подземной эксплуатации месторождений представляет собой крупную научную проблему.
Основными направлениями исследований являются: изучение влияния природных и горнотехнических факторов на элементы схем и основные конструктивные параметры вскрытия;
установление основных направлений развития схем и конструктивных параметров вскрытия;
разработка методологических принципов определения экономически эффективных и технологически совершенных схем и рациональной величины шага вскрытия запасов в шахтном поле;
исследование условий и эффективности комплексного вскрытия запасов в шахтном поле; определение методологических принципов ступенчатого вскрытия месторождений, залегающих на больших глубинах.
Для подземных горных предприятий, существующих более 30–40 лет, характерно вскрытие верхних запасов многочисленными неглубокими стволами, которые в дальнейшем могут прекратить свое существование. В последние годы месторождения, залегающие на небольшой глубине, часто вскрывают уклонами, по которым транспортируют руду самоходным оборудованием.
Вскрытие месторождений, залегающих на средних и больших глубинах, повсеместно осуществляется вертикальными шахтными стволами. Применяемое ранее в ряде случаев вскрытие наклонными стволами с целью сокращения объема проходки квершлагов в настоящее время не используется. Практика показала, что скиповой подъем по наклонным стволам менее надежен в эксплуатации, чем по вертикальным.
В связи с массовым применением на подземных работах самоходных колесных машин на рудниках проходят с поверхности уклоны и съезды большого сечения, обеспечивающие возможность перемещения по ним самоходных машин с поверхности до забоя. Это позволяет осуществлять профилактику и ре-
192
ELIB.PSTU.RU
монт машин в хорошо оборудованных мастерских на поверхности. Однако по экономическим соображениям расстояния перемещения машин собственным ходом, как правило, не могут превышать 5–7 км. Поэтому при глубине разработки месторождений более 1 км спуск самоходного оборудования в подземные выработки осуществляют через специальные вертикальные стволы.
При подземной разработке крутопадающих и наклоннопадающих месторождений в шаг вскрытия могут входить запасы одного или нескольких этажей. В первом случае – это традиционное поэтапное вскрытие запасов, во втором – многоэтажное вскрытие. Современными исследованиями установлено, что главными преимуществами многоэтажного вскрытия и подготовки запасов полезного ископаемого концентрационными горизонтами являются сокращение сроков и стоимости вскрытия и подготовки запасов к очистной выемке, обеспечение бесперебойной работы горного предприятия и стабильности качества руды, возможность уточнения геологических данных, запасов и качества полезного ископаемого, повышение эффективности использования выработок основных и промежуточных горизонтов, эксплуатируемых в них механизмов, оборудования транспортных и подъемных средств.
При разработке месторождений, залегающих на больших глубинах, основным является способ вскрытия вертикальными шахтными стволами с максимально возможной глубиной первой ступени подъема. При этом нижние горизонты вскрывают слепыми вертикальными или наклонными стволами также значительной длины исходя из стремления уменьшить общее число ступеней подъема и тем самым сократить капитальные и эксплуатационные затраты на оборудование стволов. Вентиляционные стволы, имеющие меньший диаметр, целесообразно проходить сразу до конечной глубины разработки месторождения.
На протяжении всего периода деятельности человека, связанной с добычей полезных ископаемых подземным способом, вплоть до 60-х годов XX века управление НДС – напряженно-деформированным состоянием (горным давлением) массива горных пород осуществлялось на уровне горного искусства. Практический опыт, интуиция и первые приближенные методы геомеханических расчетов в конечном итоге приводили к тому, что управление горным давлением заключалось в приспособлении к нему технологии добычи руды: изменяли порядок ведения очистных работ, расположение и ориентировку выработок, уменьшали размеры камер, увеличивали целики, в которых оставляли до 50–60 % запасов блоков, заменяли прогрессивные в данных горно-геологи- ческих условиях системы разработки на менее прогрессивные, но более устойчивые по отношению к горному давлению, что отрицательно сказывалось на полноте извлечения руды и экономических показателях добычи. С увеличением глубины горных работ и ростом горного давления эти экстенсивные технологические приемы стали ощутимым тормозом в развитии подземной добычи руд.
193
ELIB.PSTU.RU
Начиная с 60-х годов стали проводить исследования по управлению НДС массива не путем усиления подземных конструкций, а путем изменения их жесткости (податливости), что следует считать началом разработки интенсивных методов управления НДС массива. Помимо этого, создавали системы разработки с податливыми целиками при практически сплошном разбуривании их оснований, с разгрузкой выработок днища от высоких напряжений путем образования специальных траншей или разгрузочных щелей. Однако эти технологические приемы были недостаточно геомеханически обоснованы, оказались малоэффективными и чрезвычайно трудоемкими, поэтому не нашли применения на практике.
К 80-м годам были обоснованы и внедрены практику технологические приемы управления НДС массива в строго заданных в широком диапазоне изменения пределах. Эти приемы стали составной частью систем разработки месторождений. В качестве податливого элемента использовали закладочный материал. Впоследствии были разработаны и сейчас широко применяются специальные технологические схемы ведения горных работ.
Перспективным явилось технологическое решение по надработке или подработке сближенных рудных тел или пластов, когда выемка одного из них обеспечивает разгрузку от напряжений других. Это решение стало одним из основных в борьбе с горными ударами.
Обоснование на базе решения объемных геомеханических задач указанных направлений по интенсивному управлению НДС массива и разработка применительно к ним технологических схем ведения горных работ является главным научным достижением в данной области за последнее время. Для управления НДС перспективны направления исследований, позволяющие целенаправленно перемещать максимумы горного давления из рудного или породного массива в зоне ведения очистных работ в глубину горного массива или на малоответственные участки путем создания со строго рассчитанными параметрами плоскостей и зон ослабления в конструктивных элементах или массиве пород, в том числе путем закладки выработанного пространства, надработки, подработки и т.п.
Буровзрывные работы (БВР) в рудниках – это комплекс технологических процессов, направленных на отделение и дробление горного массива при помощи взрыва.
На настоящий момент в подземной технологии можно выделить два основных класса буровзрывных работ: отбойку массива с помощью шпуров диаметром 40–60 мм и глубиной до 4 м; массовое обрушение массива с помощью глубоких скважин.
В исследованиях технологии скважинной отбойки можно отметить следующие направления: обоснование и выбор диаметра скважинного заряда; пучковое расположение скважинного заряда; пучковое расположение скважинного заряда и теория расчета параметров пучков; теоретическое обоснование учета напряженности массива взрываемых пород на параметры БВР.
194
ELIB.PSTU.RU
Были разработаны новые типы ВВ, отличающиеся высокой безопасностью
вобращении и позволяющие механизировать технологию заряжания. Обоснованы теоретические положения по механизации взрывных работ и разработке зарядного оборудования.
Значительная составляющая БВР в себестоимости извлечения полезного ископаемого из недр требует интенсификации работ в направлении поиска более простых и дешевых ВВ. Как правило, в этих направлениях просматривается увеличение критического диаметра заряда, что требует коренной перестройки
вобласти бурения взрывных скважин, методов и оборудования для их зарядки.
Основными направлениями совершенствования буровзрывного способа отделения и дробления массива на подземных работах являются:
–разработка новых теоретических моделей дробления горных пород взрывом; оптимизация объемов буровзрывных работ в соответствии с технологическими требованиями и экологическими условиями;
–разработка дешевых, безопасных в обращении ВВ, позволяющих механизировать процессы погрузочно-разгрузочных и зарядных работ;
–разработка технологических решений буровзрывного способа дробления массива, обеспечивающих заданные показатели качества взрыва, управление кусковатостью отбитой горной массы;
–новые технологические решения, обеспечивающие снижение расхода ВВ при повышении общего качества взрыва.
Под выпуском в физико-технической подземной геотехнологии понимается организация извлечения разрыхленной горной массы из эксплуатационного блока через отверстия ограниченных размеров за счет его истечения под действием силы тяжести.
Разнообразие горнотехнических условий, а главное, положенные в основу общепринятых методик расчета эмпирические параметры не позволяют считать научные исследования по выпуску руд завершенными. В целом, основываясь на общих задачах физико-технической подземной геотехнологии и известных результатах исследований по выпуску руд, можно считать приоритетными направлениями исследований на ближайшую перспективу:
–создание теории выпуска неравномерно-раздробленных и неравномерноуплотненных сыпучих горных материалов с учетом напряженно-деформиро- ванного состояния среды и изменения ее состояния в процессе движения материала;
–изучение динамической системы «массовая отбойка – выпуск полезного ископаемого» с точки зрения взаимовлияния ее составляющих;
– изучение динамики потока неравномерно раздробленного материала
всходящихся каналах;
–исследование влияния на механизм и динамику истечения сыпучих горных материалов внешних механических и немеханических воздействий и разработка на этой основе нетрадиционных технологий выпуска руд.
195
ELIB.PSTU.RU
Процессы погрузки и доставки включают в себя перемещение раздробленного полезного ископаемого от забоя (точки выпуска) до погрузочного пункта магистрального транспорта, включая погрузку материала. Данные процессы теснейшим образом связаны с соответствующими разделами геотехники. Технология доставки определяется принятым типом горного оборудования, которое, в свою очередь, должно удовлетворять требованиям технологии разработки, т.е. эффективность работы оборудования зависит от его соответствия параметрам системы разработки, а ее результативность – от эффективности и надежности работы горных машин.
Приоритетными направлениями исследований в области погрузки
идоставки являются:
–научное обоснование выбора наиболее эффективного горного оборудования для погрузки и доставки при минимальной энергоемкости и высокой экологичности процесса;
–разработка новых средств осуществления процесса доставки – погрузки полезных ископаемых на шахтах.
Понятие подземного магистрального транспорта включает в себя как объединенный грузопоток полезного ископаемого, так и транспортную систему для его перемещения от сборочного (погрузочного) пункта до ствола шахты.
Становление горной науки о подземном транспорте полезных ископаемых неразрывно связано с геотехникой, а с технологической точки зрения – со схемами вскрытия и подготовки месторождений, организацией грузопотоков, сопряжено со смежными технологическими процессами, разработкой требований к соответствующему горному оборудованию.
Приоритетными научными направлениями исследований подземного транспорта являются:
–создание нетрадиционных видов транспорта (например, пневмотранс-
порта);
–разработка научных основ выбора наименее энерго- и трудоемкого вида транспорта.
Технология перемещения полезных ископаемых в шахте теснейшим образом связана с геотехникой и всей технологией подземной добычи. Например, схемы доставки и транспорта определяют схемы вскрытия и подготовки месторождения. С другой стороны, экономичность той или иной схемы перемещения не в последнюю очередь определяются необходимым объемом горных выработок.
Вследствие этого развитие данного раздела физико-технической геотехнологии невозможно без тесной взаимоувязки с другими горными науками, прежде всего геотехникой, геоинформатикой, проектированием и строительством горных предприятий.
Основные направления фундаментальных исследований в области физикотехнической подземной геотехнологии применительно к освоению месторожде-
196
ELIB.PSTU.RU
ний руд черных, цветных металлов и горно-химического сырья связаны со следующими проблемами:
–создание подземных рудников многофункционального назначения, обеспечивающих рациональное использование и своевременное воспроизводство георесурсов недр различного назначения;
–разработка ресурсосберегающих технологий реконструкции подземных рудников, направленных на сохранение и развитие их производственного потенциала в новых макроэкономических и экологических условиях;
–научное обоснование стратегии сбалансированного функционирования
иразвития горнорудной и машиностроительных отраслей горно-обогатитель- ного и горно-металлургического комплексов.
Для решения этих крупных и комплексных по своему содержанию проблем необходимо дальнейшее развитие всех смежных горных наук и в первую очередь:
–горнопромышленной геологии, геометрии и квалиметрии недр, которые должны обеспечить геотехнологию существенно большим объемом информации о месторождениях полезных ископаемых, расширить ее номенклатуру и оперативность, повысить точность данных о состоянии запасов, их контурах и качестве, закономерностях изменения показателей качества и условий залегания;
–геомеханических методов оценки состояния массива горных пород для его анализа и прогноза при различных технологиях горных работ на больших глубинах и при комбинированной разработке;
–теории разрушения горных пород в свете нейтрализации негативных проявлений взрывного способа, повышения эффективности механического, термического и гидравлического разрушения, создания принципиально новых способов разрушения горных пород, альтернативных существующим;
–рудничной аэрогазодинамики с целью изучения аэрологических условий на больших глубинах и создания эффективных и экономичных средств и схем вентиляции горных выработок;
–теории проектирования освоения недр, которая должна дать надежные научные методы обоснования параметров, конструкций горных выработок, анализа динамики горных работ, создать научную базу инженерных систем автоматизированного проектирования рудников и шахт;
–горной экологии в свете изучения реальных экологических последствий в окружающей среде во взаимосвязи со способами и технологиями горных работ.
Основным процессом, определяющим эффективность подземного способа разработки угольных месторождений, является очистная выемка. Поэтому усилия ученых были направлены в первую очередь на разработку научных основ, обеспечивающих технический прогресс в этом вопросе. Наибольшее внимание уделялось созданию технологии и средств механизации применительно к пологим угольным пластам, преобладающим в ресурсной базе твердых топлив России и наиболее интенсивно разрабатываемым.
197
ELIB.PSTU.RU
Технология очистных работ в своем развитии прошла следующие этапы.
I.Механизация отдельных производственных процессов. Этот этап во многих странах, за исключением США, Австралии, ЮАР, характеризуется применением длинных очистных забоев с механизацией процессов зарубки и доставки угля. Такая технология применялась вплоть до 50-х годов.
II.Совмещение во времени отдельных механизированных производственных процессов (отбойка, навалка, доставка угля, крепление и управление кровлей) и начало применения узкозахватной выемки. Эта технология применялась
впериод с 50-х до начала 70-х годов.
III.Комплексная механизация основных производственных процессов с их частичной автоматизацией на базе узкозахватной технологии. В настоящее время эта технология занимает господствующее положение в нашей стране, в странах Европы и достаточно широко применяется в США и Австралии.
Отечественными учеными впервые в мировой практике была поставлена и успешно решена крупнейшая научно-техническая и социальная проблема комплексной механизации очистных работ в длинных очистных забоях на пологих угольных пластах. Были обоснованы принципы этой прогрессивной технологии:
создание бесстоечного пространства между забоем и лавным конвейером; применение узкозахватных выемочных машин; совмещение основных операций выемочного цикла – отбойки, погрузки,
транспортировки (доставки) угля, крепления и управления кровлей во времени
и пространстве, что обеспечивает поточность процесса выемки.
Одновременно с разработкой научных основ узкозахватной комплексномеханизированной технологии очистных работ шла ее практическая реализация. Основными машинами, обеспечивающими комплексно-механизированную технологию очистных работ, являются механизированные гидравлические передвижные крепи, узкозахватные комбайны или струги, скребковые конвейеры. При этом определяющую роль в создании современных технологий сыграла механизированная крепь.
Первая в мире щитовая механизированная крепь была предложена И.А. Журавлевым и испытана в 1935 году на шахте Сюлюкта. В конце 40-х годов в Гипроуглемаше создали узкозахватный комбайн ВОМ. Приоритет в создании струговых установок принадлежит специалистам Германии, особенно фирме «Вестфалия Люнен».
Каждому составу пород кровли должна соответствовать механизированная крепь с определенными параметрами. Основным параметром механизированных крепей является рабочее сопротивление. Соответственно для легко-, средне- и трудноуправляемых кровель применяют механизированную крепь с умеренным, повышенным и высоким рабочим сопротивлением.
Выбор рациональных параметров механизированных крепей в каждом классе кровли по управляемости массивом осуществляется по трем критериям: предельно допустимая конвергенция кровли в призабойном пространстве; пре-
198
ELIB.PSTU.RU
дотвращение разрыва кровли в пределах призабойного пространства в периоды глобального сдвижения массива; минимизация зависаний кровли за пределами призабойного пространства.
Сущность комплексно-механизированной технологии состоит в следующем. Вслед за очистным выемочным комбайном, осуществляющим отбойку
ипогрузку угля на конвейер, с минимальным отставанием от него передвигаются секции механизированной крепи. При челноковой схеме работы передвижка лавного конвейера осуществляется «волной», а при односторонней выемке передвижка конвейера осуществляется после перегона комбайна в исходное положение для зарубки.
При струговой технологии, когда выемка угля осуществляется исключительно по челноковой схеме, исполнительный орган – струг, перемещаемый вдоль лавы тяговой цепью, находится в постоянно прижатом к забою положении
ипроизводит отбойку и погрузку угля. Выдвижка секций крепи или их козырьков осуществляется группами в определенной последовательности.
Впрактике шахт России господствующее положение занимает комбайновый вариант технологии, легче приспосабливаемый к изменениям горногеологических условий залегания пласта. Струговая выемка, требующая для своего эффективного использования относительно низкой сопротивляемости угля резанию и прочной почвы пласта, имеет более ограниченную область применения на шахтах России.
Наибольшее распространение струговая технология получила на шахтах Германии. В незначительных объемах она применяется в Украине, Польше, Чехии. Этому варианту технологии отдают предпочтение при отработке тонких пластов мощностью до 1,4 м со спокойной гипсометрией и наличием других благоприятных горно-геологических факторов.
На современном этапе развития отечественной угольной промышленности совершенствование технологии с применением комбайновых очистных комплексов связано с повышением надежности и энерговооруженности оборудования.
Высокий уровень механизации производственных процессов при ком- плексно-механизированной технологии выемки угольных пластов и научные достижения в области систем и технических средств управления производственными процессами сделали возможным переход к следующему этапу технического развития технологии очистных работ с автоматизацией основных произ-
водственных процессов и компьютеризацией принятия решений. Прогресс в этой области произошел в начале 80-х годов, когда была разработана электрогидравлическая система управления щитовой механизированной крепью. Благодаря использованию искробезопасной микроэлектроники и слаботочных электромагнитных клапанов появилась возможность установить на каждый секции крепи малогабаритные гибкие устройства управления. Эта система управления позволила:
199
ELIB.PSTU.RU
–улучшить управление кровлей за счет более быстрой автоматической оценки процесса взаимодействия крепи и вмещающих угольный пласт пород,
атакже за счет быстрой выработки управляющих взаимодействий;
–обеспечить дистанционную техническую диагностику состояния системы и оборудования и возможность установления логической связи с рабочими операциями выемочной машины и крепи, создав тем самым условия для вывода человека из опасных зон;
–улучшить адаптацию комплекса к изменяющимся условиям разработки. Управление процессом выемки пласта осуществляется специальной систе-
мой, в которую входят подсистемы управления комбайном, крепью и конвейером. При этом в автоматическом режиме осуществляются вождение комбайна по гипсометрии и мощности угольного пласта, его зарубка. Для технологии струговой выемки такая система охватывает следующие функции: выемка с фиксированной глубиной резания; отодвигание конвейера при блокировке струга; автоматическая передвижка конвейера; синхронная выдвижка верхняков секций крепи; выдвижка крепи в одиночном или групповом режиме; синхронизация выемки и орошения. Вся информация отображается на штрековом дисплее. Технология находится на стадии становления и применяется в благоприятных горно-геологических условиях.
Созданная с использованием достижений науки в области геомеханики, теории резания, управления, геотехники и машиноведения технология очистных работ с комплексами, оснащенными микропроцессорными системами управления, позволила резко интенсифицировать производственные процессы, повысить производительность труда рабочих и их безопасность. Эта технология еще не обеспечила полный вывод людей из опасной зоны очистного забоя, однако создала возможность существенного сокращения состава сменного звена очистного забоя. В высокопроизводительных лавах Австралии, США и Великобритании состав сменной бригады по обслуживанию оборудования лавы составляет в среднем шесть человек.
Многолетние поиски принципиально новых технологий очистных работ, выполняемых без присутствия человека в призабойном пространстве, до сих пор не увенчались успехом, и нет оснований делать на них ставку в ближайшем будущем. Так, фронтально-агрегатная технология выемки угля без постоянного присутствия человека в призабойном пространстве, испытываемая в вариантах кольцевых исполнительных органов и исполнительных органов, устанавливающихся на каждой секции крепи, не нашла применения вследствие сложности конструкций агрегатов и жестких требований к горно-геологическим условиям.
Проблема радикального сокращения ручного труда не имела решения до тех пор, пока не появились первые образцы шахтной робототехники. Наибольший интерес представляет ее основной компонент – манипулятор. Это многостепенной, оснащенный следящими приводами, дистанционно управляемый исполнительный механизм, обладающий необычайно широким спектром функ-
200
ELIB.PSTU.RU